巫付專(zhuān)，朱菁，陳鵬，紀(jì)志剛，翟睿

(中原工學(xué)院 電子信息學(xué)院，鄭州 451191)

0 引 言

與傳統(tǒng)燃料汽車(chē)相比，新能源電動(dòng)汽車(chē)具有環(huán)保、清潔和節(jié)能等特點(diǎn)，已成為當(dāng)代汽車(chē)發(fā)展的主要方向[1]。能源供給裝置是電動(dòng)汽車(chē)推廣的關(guān)鍵，而這些設(shè)備含有以整流裝置為主的非線(xiàn)性設(shè)備，對(duì)供電網(wǎng)造成諧波污染[2]。因此在充電樁建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)考慮加入濾除諧波的相應(yīng)裝置，這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展有重要意義。文獻(xiàn)[3]對(duì)充電樁以及有源濾波器(APF)進(jìn)行了諧波特性分析，設(shè)計(jì)了比例控制與重復(fù)控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)，取得較好的效果，但增加了額外的濾波裝置，控制策略運(yùn)算復(fù)雜。文獻(xiàn)[4]中通過(guò)增大充電樁濾波電感來(lái)降低諧波含量，但增加了充電樁的體積、損耗及成本。文獻(xiàn)[5]對(duì)傳統(tǒng)無(wú)源濾波器進(jìn)行改造，主要由基波諧振電路、基波磁通補(bǔ)償電路和無(wú)源濾波器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流波形正弦化。但在負(fù)荷較大時(shí)，電流畸變率超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為了提高濾波效果，電感取值過(guò)大。濾波器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，增加了體積與成本。

針對(duì)充電樁引起諧波電流電能質(zhì)量問(wèn)題，本文將一種基于三次諧波補(bǔ)償?shù)腁PFC(Active Power Factor Correction)電路應(yīng)用在充電樁，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，通過(guò)調(diào)節(jié)注入諧波幅值與相位大小，能夠減小低次與部分高次諧波分量，有效去除諧波污染，進(jìn)一步提高電路功率因數(shù)。最后利用Matlab/Simulink仿真軟件并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

1 單相充電樁電路拓?fù)?/h2>

1.1單相充電樁電路拓?fù)?/h3>

本文設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)充電樁采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。充電樁主要由整流電路、濾波電路、逆變電路、以及后級(jí)電路中的變壓器、高頻DC-DC功率變換電路、輸出濾波電路組成。前級(jí)為平均電流控制模式的APFC電路，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)輸入電流的正弦化，提高功率因數(shù)[6]，可以得到310 V左右的平穩(wěn)直流電壓，經(jīng)全橋逆變電路進(jìn)入后級(jí)電路。后級(jí)電路中高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓隔離，全橋整流電路將變壓器副邊高頻脈沖電壓變?yōu)橹绷麟妷?，最后?jīng)過(guò)雙向半橋變換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)，使輸出電壓可以在290 V左右。前級(jí)電路決定了系統(tǒng)穩(wěn)定性與計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確性，充電樁中的諧波治理情況也與其有直接關(guān)系。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)原理

1.2 前級(jí)APFC電路的模型

Boost APFC結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由一個(gè)全橋整流器，實(shí)現(xiàn)AC/DC變換；濾波電容C之前是一個(gè)Boost電路，實(shí)現(xiàn)升壓的電路變換。從整體回路來(lái)看，由一個(gè)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)組成。在具體工作時(shí)，通過(guò)PWM生成控制開(kāi)關(guān)管VT的信號(hào)，且開(kāi)關(guān)VT1與開(kāi)關(guān)VT2信號(hào)相反，其中兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都選取MOSFET，不僅提高轉(zhuǎn)換效率，減小電感、電容元件體積[7]，而且使整流后的電流跟隨整流后電壓的波形，提高功率因數(shù)，減小了諧波電流。

圖2 APFC的工作原理圖

忽略網(wǎng)側(cè)電壓畸變，網(wǎng)側(cè)電壓有效值假設(shè)為U，網(wǎng)側(cè)基波電流有效值設(shè)為I1，這時(shí)有功功率為[8]：

P=UI1cosγ

(1)

式中γ=α-β是電壓與電流的相位差。

視在功率為：

S=UI

(2)

式中I為含有諧波的總電流有效值。

那么，功率因數(shù)為：

(3)

式中，含有諧波的總電流有效值和基波電流有效值之比與THD值呈正比，那么，當(dāng)基波電流不發(fā)生相移，整流后電流波形不發(fā)生畸變時(shí)，達(dá)到功率因數(shù)為1[9]。所以對(duì)于不可控整流減小諧波畸變率是提高功率因數(shù)的關(guān)鍵。

2 控制系統(tǒng)與諧波分析

2.1 平均電流控制

針對(duì)APFC電路，目前控制方式主要有三種：峰值電流控制、滯環(huán)電流控制和平均電流控制[10]。峰值電流控制為防止諧波振蕩，需要在比較器輸入端增加斜率補(bǔ)償函數(shù)[11]；滯環(huán)電流控制過(guò)程中其頻率不固定，對(duì)濾波器設(shè)計(jì)和開(kāi)關(guān)器件選取帶來(lái)一定困難；平均電流控制與滯環(huán)電流控制相比，其開(kāi)關(guān)頻率固定，便于控制，與峰值電流控制相比，其電流紋波較小?？紤]以上原因，平均電流控制法在實(shí)際中應(yīng)用較多。

APFC電路裝置在平均電流控制策略下，iL與is*的誤差跟隨占空比的改變而改變，從而引起低次諧波電流，輸入電流仍有較大失真。

2.2 諧波分析

設(shè)交流側(cè)輸入電壓為：

uin(t)=Umsinωt

(4)

式中Um為交流側(cè)輸入電壓幅值；ω為角頻率。

那么，整流后的電壓為：

ud(t)=Um|sinωt|

(5)

電感電流連續(xù)時(shí)，占空比D為:

(6)

式中U0為APFC電路中負(fù)載電壓。由式(6)繪出輸入電壓不同時(shí)，占空比波動(dòng)曲線(xiàn)如圖3所示，在同一個(gè)周期內(nèi)，輸入電壓越大，占空比變化范圍越大。

圖3 輸入電壓不同的占空比

而在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感電流紋波峰峰值為：

(7)

在每個(gè)周期內(nèi)，根據(jù)電感電流伏秒平衡原則得：

udDTs=(U0-ud)DRTs

(8)

式中DR為電感電流減少到零時(shí)刻的占空比；U0為輸出電壓。

那么：

(9)

在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，由式(7)與式(9)知，電感電流平均值為：

(10)

式(10)表示，此時(shí)電感電流平均值已不是正弦波形，發(fā)生了畸變。

那么，輸入電流：

(11)

式中Im為交流側(cè)輸入電流幅值。

對(duì)式(11)標(biāo)幺后得：

(12)

由式(12)知，輸入電流波形與輸入電壓、輸出電壓有關(guān)。根據(jù)式(12)繪出輸入輸出比值不同時(shí)，輸入電流波形，如圖4所示。

圖4 半個(gè)周期內(nèi)輸入電流波形

由圖4知，輸入電壓與輸出電壓比越小，即D越大，此時(shí)電感電流上升階段，輸入電流波形越接近正弦。當(dāng)電感電流下降階段，輸入電壓與輸出電壓比越小，下降越快，電感電流平均值越接近于0。

輸入電壓、輸出電壓比不同時(shí)輸入電流FFT分析如圖5所示。Um/U0越大，輸入電流中以低次諧波為主，諧波含量越大。為了有效降低輸入電流諧波畸變率，后級(jí)電路中變壓器變比大小應(yīng)合理選取。

圖5 諧波補(bǔ)償前輸入電流FFT分析

經(jīng)三角波比較后得出的占空比D在0～1范圍內(nèi)變化，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。在輸入電壓固定，開(kāi)關(guān)頻率不變時(shí)，由式(9)與式(10)知，iL與is*的誤差隨著D的改變而改變。使得電感電流波形與正常正弦波相比存在下凹，發(fā)生電流畸變。

對(duì)iin進(jìn)行傅里葉分解得[12]：

(13)

式(13)中，

將式(12)代入式(13)，經(jīng)計(jì)算輸入電流的各次諧波中余弦成分和偶次諧波分量都為0。

其中輸入電流可表示為：

(14)

電流總諧波畸變?yōu)椋?/p>

(15)

式中Inm為第n次諧波電流幅值；I1m為基波電流幅值。

取Um/U0=1，n=3時(shí)，算得當(dāng)輸入電流THD最小時(shí)，I3m≈0.17I1m。

3三次諧波補(bǔ)償?shù)腁PFC電路

根據(jù)上述分析，整流橋所造成的諧波污染問(wèn)題，經(jīng)過(guò)APFC電路后輸入電流仍有低次諧波的存在，以三次諧波為主。為進(jìn)一步降低輸入電流的諧波含量，優(yōu)化功率因數(shù)。文中采用一種三次諧波補(bǔ)償策略，在網(wǎng)側(cè)處加入一個(gè)三次諧波信號(hào)與整流輸出端電壓信號(hào)疊加，共同作為電流內(nèi)環(huán)的輸入指令信號(hào)。

通過(guò)對(duì)補(bǔ)償電流大小合理的控制，可使濾波后iL為正弦波且與電源電壓同相位，獲得最佳諧波補(bǔ)償效果，以最大限度的減小電流畸變。由上述知，為進(jìn)一步提高功率因數(shù)需在指令電流中加入三次諧波幅值為0.17I1mA的電流。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真電路及結(jié)果分析

根據(jù)圖1搭建MATLAB/Simulink 仿真平臺(tái)模型。前級(jí)APFC電路中仿真參數(shù)分別如下：輸入電壓Uinm=310 V，輸入頻率fin=50 Hz，輸出電壓U0=310 V，輸出功率P0=1 000 W，輸入電感L=3 mH，輸出電容C=2 200 μF，開(kāi)關(guān)頻率fs=12.8 kHz，電流環(huán)PI參數(shù)：kip=0.02，kii=0.1，電壓環(huán)PI參數(shù)：kup=150，kui=600，后級(jí)電路仿真參數(shù)分別如下中：輸入電壓Uin1=310 V，輸入頻率fin1=50 Hz，輸出電壓U=290 V，輸入電感L=3 mH，輸出電容C=500 μF。

圖6為未加APFC時(shí)輸入側(cè)電流，此時(shí)輸入電流呈峰值較高的脈沖信號(hào)，因只有當(dāng)輸入電壓大于輸出電容電壓時(shí)，才會(huì)有電流。

圖6 未加入APFC時(shí)輸入電流

根據(jù)圖7與圖8知，在三次諧波補(bǔ)償前，輸入電流波形基本正弦化，但電流波形存在低次諧波。在補(bǔ)償后，iin畸變得到最大限制，仿真模型中，諧波補(bǔ)償電流取0. 2 A，相位取-100。三次諧波補(bǔ)償能夠有效降低電流畸變，使輸入電流更加接近正弦波，根據(jù)其頻譜知，加入三次諧波補(bǔ)償后總諧波失真THD由3.28%降到2.02%。其中，3次諧波幅值由304.5 mA降到2.48 mA，5次以上諧波電流幅值可忽略不計(jì)，低次諧波得到有效抑制。

圖7 諧波補(bǔ)償前后輸入電流波形

由圖9可以看出，三次諧波補(bǔ)償后，此時(shí)輸入電壓與輸入電流波形相似且相位一致，功率因數(shù)由0.98提高到0.998，達(dá)到了進(jìn)一步諧波補(bǔ)償目的。

圖8 諧波補(bǔ)償前后輸入電流的FFT分析

圖9 網(wǎng)側(cè)輸入電壓、輸入電流波形

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

根據(jù)上述數(shù)據(jù)與分析搭建了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)電路，控制器為T(mén)MS320F28335；檢測(cè)電路采用電流霍爾，開(kāi)關(guān)器件選用智能模塊FSAM30SH60A，控制器與開(kāi)關(guān)器件之間加入6N137光隔電路。

受到實(shí)際實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件原因的限制，實(shí)驗(yàn)環(huán)境、波形與仿真結(jié)果有一定出入，頻域跟蹤效果如圖10所示，三次諧波未補(bǔ)償時(shí)輸入電流THD=5.67%，其中三次諧波含量較大。

圖10 三次諧波未補(bǔ)償時(shí)輸入電壓/電流波形

在實(shí)際試驗(yàn)中，考慮相位對(duì)電流跟蹤效果影響。分別給出相位取00、-50、50，如圖11所示。隨著注入三次諧波幅值與相位的改變，電流大小不變，跟隨效果改變，相應(yīng)THD值也受到影響。

圖11 相位不同時(shí)輸入電壓/電流波形

由分析知，調(diào)節(jié)信號(hào)中三次諧波補(bǔ)償幅值與相位能夠改善輸入電流波形，三次諧波補(bǔ)償后總諧波失真THD由5.67%降到2.62%。實(shí)現(xiàn)了有效減小諧波含量，使得功率因數(shù)進(jìn)一步提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)充電樁含有大量非線(xiàn)性裝置，輸入電流會(huì)含有大量諧波不僅污染電網(wǎng)，對(duì)充電設(shè)備的壽命也會(huì)造成威脅。傳統(tǒng)的平均電流控制策略會(huì)使網(wǎng)側(cè)電流含有低次諧波分量?；诔潆姌吨兄C波產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)其產(chǎn)生進(jìn)行諧波分析，在APFC補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，提出了一種三次諧波補(bǔ)償策略，三次諧波補(bǔ)償使得電感電流脈動(dòng)減少，增大了其平均值。在充電樁中，加入APFC補(bǔ)償并注入三次諧波，通過(guò)調(diào)節(jié)三次諧波相位與幅值大小能夠?qū)Τ潆娬舅a(chǎn)生的諧波進(jìn)行治理。通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了所述控制方法的正確性。